高速公路軟土地基的沉降試驗探討

薛玉海

(山西平陽路橋有限公司，山西 臨汾 041000)

1 荷載作用下軟土層的特點

軟土地基受到荷載作用后其變形可以分為兩類:一種是受到諸如地震等短期加載，地基發生瞬間變形，此時粘土層可視為不排水狀態;另外一種則是受到諸如交通荷載的長期循環荷載作用，此時粘土層可視為部分排水。巖土材料在受到周期荷載后，其強度與變形的性狀各不相同，基于荷載條件下多種因素均會對粘性土的變形特性產生影響，比如土的擾動程度及性質、試驗方法、加載波形與加載頻率、固結圍壓水平、超固結狀態、各向異性性質以及剪應力水平等。本文所提出的高速公路軟土地基的沉降特性是基于模擬交通荷載作用的軟土變形過程。

2 試驗內容與方法

2.1 循環荷載加載波形

為了在試驗環境下模擬實際的交通荷載作用，特采用自制循環荷載加載系統產生的矩形波循環荷載，具體參數如下:Psys為所加的循環荷載;P為固結壓力;ta為循環荷載作用時間;td為循環荷載間隔時間。具體荷載作用示意圖如圖1所示。

圖1 作用荷載示意圖

2.2 循環荷載試驗設備

基于單面排水與側限條件下測量循環荷載作用過程中，可以以常規固結壓縮儀為基礎進行改造，測量土樣壓縮變形與土樣底部孔壓的變化情況。經過改造研制出的固結壓縮儀可以對底部孔壓進行測量，結合循環荷載的機械加載系統進行試驗。整個系統包括三個部分:

首先是循環荷載加壓系統，該系統采用杠桿式加壓，利用固結儀自身的砝碼采用杠桿施加固結應力，并且在加載系統中，加載頻率與加卸載時間比可以進行調節，加載波形為矩形沖積荷載。具體而言，循環荷載的施加流程如下:可調速電機通過變速器與調速器，使得電機飛輪頻率等于所加載頻率;接下來再通過等速螺形突形輪以及滑桿的作用，把圓周運動轉換為直線往復運動，接著利用滑輪與傳力裝置把矩形循環荷載施加至土樣中即可。其次為數據采集系統，直接利用計算機可以將位移與孔壓等相關數據自動采集起來，最大數據采集量可以達到2 000個。最后一部分為固結儀，本試驗采用的是改進了裝樣室的單杠桿固結儀，可以實現對排水邊界條件的有效控制。固結儀底座與環刀部分為一個整體銅柱，中間車空后拋光邊壁，底部設孔壓孔、排水孔以及加壓孔。

2.3 試樣制備過程

具體而言，試樣制備過程如下:首先把取自于某高速公路上的淤泥質粘土進行風干處理，然后碾碎、過篩;將粉狀干土加入適量的水均勻攪拌，制成膏狀，土膏靜置數日后再將其充分浸水，飽和后把土膏裝入固結儀，加護環，需要注意土樣要適當的高于固結儀;進行分級加荷，直至達到試驗設計荷載，固結穩定后將護環取下，土樣削平;最后把土樣與固結儀同時放入飽和器中進行抽氣飽和，即完成試樣的制備。

2.4 試驗步驟

具體試驗步驟如下:首先把上述過程制備好的試樣裝入固結儀，然后安裝好排水閥、反壓管、孔壓傳感器、位移傳感器等設施，打開反壓閥排出孔壓傳感器中的氣泡，將其充滿水再套上護環，為防止漏水要把護環用橡皮膜箍緊，在護環內加水后試驗可浸入水中，保持飽和狀態。然后加上固結荷載完成土樣的固結，模擬土層受到的上覆有效壓力;接下來調節循環荷載系統的加載頻率，并對循環荷載的大小進行控制，保證其與設計要求相符;打開數據采集系統與加載系統，即可進行實驗;注意將采集數據及時保存下來，試驗過程中為了保證加載系統維持特定的工作狀態，要對加載系統進行不斷調節;最后對試驗數據進行整理與分析。

3 試驗結果

3.1 循環累計應變與循環次數的關系

由試驗結果可知，受到循環荷載應力作用時，循環次數與循環應力越大，循環荷載累積應變就越大，如果加載至土樣的循環應力與初始固結應力的比值不大于1，則循環累積應變的變化速率就會慢慢減小，并且隨著循環次數的不斷增加，循環累積應變會慢慢趨于穩定，而軟土的循環累積應變也會慢慢增加。如果是低路堤下的軟土地基，車流量與載重汽車的載重量越多，則路基受到荷載作用后所產生的沉降就會越明顯。在交通荷載作用下，當荷載時間與荷載次數達到一定程度，軟土地基的沉降會逐漸趨于穩定，并且交通次數越多還會在一定程度上增加地基的強度，此時一旦達到可以抵抗交通荷載的強度，就不會繼續產生循環累積應變，即可忽略交通荷載對地基沉降的影響。在半對數坐標中循環次數逐漸增加，循環累積應變與循環次數對數的關系即可用線性近似描述出來。當應變εP與循環荷載作用次數N對數呈線性關系，則可用下式表示:

其中，α為循環荷載水平及加載頻率相關的參數;b為土體性質相關的參數;N為循環荷載作用次數，N=f×t，因此上式可轉化為:

該式兩邊對時間t求導，設應變速率εP/dt=up，則:

再利用試驗中的應變速率將與土性相關的參數b求取出來即可。

3.2 底部孔壓隨循環次數變化關系

在循環荷載作用初期軟土的滲透系數相對較小，排水不暢，循環荷載作用會導致孔壓積聚，孔壓就會迅速升高。循環次數不斷增加，致使孔壓積聚達到最高值，孔壓慢慢消散，這個過程中沉降會隨之發展。一旦循環荷載作用次數達到一定的量，試樣底部孔壓的最小值就會為負值，試樣在孔壓變化方面就表現出超固結土的特性。循環次數逐漸增加，則在單個周期內試樣底部孔壓值的最大值與最小值會處于一個不變的穩定水平，循環次數不再對其產生影響。由上述分析可知，低路堤下軟土地基在受到交通荷載作用的初級階段，地基中的孔壓積聚會產生超靜孔壓，當達到一定時間后，積聚的超靜孔壓就會慢慢消散，地基在受到交通荷載作用后所產生的壓力，慢慢會從加載初期的超靜孔壓向土骨架上轉移;交通荷載作用次數越來越多，直至交通荷載所產生的應力全部轉變為地基的有效應力，交通荷載作用導致的孔壓就不會積聚。地基在受到交能荷載作用后，這個過程中產生的孔壓會在一個正負區間內不斷變化，這種變化呈現出相對穩定性，地基沉降慢慢趨于穩定。此外，在循環荷載所產生的應力逐漸轉化為土的有效應力后，孔壓的最大值就會遠遠低于加載初期階段的孔壓值，由此可見，軟土地基超載可以有效消除交通荷載作用于地基時所產生的附加沉降，并且交通荷載作用下的一部分超靜孔壓也可以有效的消除。此外，在分析孔壓消散數據后可知，基于單個周期內的循環荷載作用下，循環作用的次數不會對試樣中產生的最大孔壓與最小孔壓之間的差值產生影響，即循環作用次數增加，二者之間的差值也不會發生變化。并且在土樣應力不斷增加的過程中，孔壓的最大值會逐漸下降，慢慢趨于一個穩定值，單個周期內的最小孔壓值變化情況與其相同。所以可知，軟土地基超載可以在一定程度上將循環荷載作用產生的孔壓消除，但是單個周期內的孔壓變化差值卻沒有因此而減少。

4 結語

文中對交通荷載作用進行模擬，試驗飽和軟粘土基于循環荷載作用條件下的變形與孔壓變化情況，全面分析循環荷載作用條件下土體的循環累積應變、孔壓與循環荷載次數的關系，可以得出如下幾點結論:首先，在單個循環周期內，受到循環荷載作用時，軟土路基的變形包括彈性應變與塑性應變兩種。其次，粘土的應變速率基于循環荷載作用條件下會隨著時間的逐漸增加而慢慢減少，可以用線性描述應變速率與時間對數的關系;如果循環荷載之比小于1，土體在受到循環荷載作用時循環次數慢慢增加，土體變形會慢慢處于穩定狀態;在受到循環荷載作用時，應變速度與循環應力之比與加載頻率成正比關系，即加載頻率越大，應變也就越大。再次，在長期循環荷載條件下，所加循環荷載的大小會對軟粘土的變形特性產生直接的影響，如果循環荷載與固結壓力的比值相對較小，則土體受到循環荷載作用時其變形接近于小荷載比下軟土的固結變形特性。最后，當循環荷載作用于軟土地基時，加載初期會迅速積聚循環荷載產生的超靜孔壓，不過當循環次數逐漸增加到一定次數后，孔壓會慢慢消散，并在某個穩定的正負區間內維護穩定的孔壓變化值。

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